Mecanismos de “Containers” em Sistemas Multiusuário: Isolamento de Processos, Virtualização e Confinamento no Contexto de Segurança Computacional (1987)

1. Introduction

A consolidação de sistemas multiusuário na década de 1970, especialmente em ambientes acadêmicos e militares interligados pela ARPANET, transformou a segurança computacional em um problema estrutural. Diferentemente dos sistemas isolados da década de 1960, os ambientes contemporâneos de 1987 operam sob um modelo de compartilhamento intensivo de recursos, múltiplos usuários simultâneos e serviços de rede expostos, como telnet, ftp e rlogin. Essa transição ampliou drasticamente a superfície de ataque.

A literatura clássica já reconhecia a necessidade de separação de domínios de proteção (LAMPSON, 1971) e de mecanismos de referência monitor (ANDERSON, 1972). O Multics implementou anéis de proteção e segmentação refinada (ORGANICK, 1972), enquanto o IBM VM/370 introduziu virtualização completa de hardware, permitindo múltiplos sistemas operacionais independentes sobre a mesma máquina física (MADNICK; DONOVAN, 1973). Em UNIX, mecanismos mais simples, como permissões de arquivos e o comando chroot, forneceram confinamento parcial.

Neste artigo, adotamos o termo “container” para descrever qualquer mecanismo que proporcione encapsulamento lógico de execução com fronteiras explícitas de recursos e privilégios. Essa definição é compatível com a noção de domínio de proteção e com o princípio de menor privilégio (SALTZER; SCHROEDER, 1975). A inovação aqui não reside na criação de novo mecanismo, mas na sistematização operacional desses recursos como estratégia defensiva coesa.

O problema central que enfrentamos é: como limitar o impacto de um processo comprometido em um sistema multiusuário conectado em rede? Ataques explorando falhas de validação de entrada, estouros de buffer em programas escritos em C ou credenciais fracas (MORRIS; THOMPSON, 1979) podem levar à execução arbitrária com privilégios elevados. Sem confinamento adequado, o comprometimento de um serviço implica o comprometimento do sistema inteiro.

Propomos analisar containers sob três eixos: isolamento de espaço de endereçamento, isolamento de sistema de arquivos e isolamento de dispositivos/recursos. Avaliamos esses mecanismos segundo critérios formais do TCSEC (DoD, 1983), considerando classes C1, C2 e B1. O objetivo é demonstrar que, mesmo em sistemas não formalmente avaliados como B1 ou superiores, a aplicação disciplinada de confinamento pode aproximar-se de garantias mais fortes.

2. Background and Related Work

O conceito de domínio de proteção foi formalizado por Lampson (1971), definindo um domínio como o conjunto de objetos acessíveis a um sujeito e as operações permitidas. Essa abstração é essencial para compreender containers como instâncias concretas de domínios com fronteiras operacionais claras.

Saltzer e Schroeder (1975) estabeleceram princípios fundamentais de projeto seguro, incluindo economia de mecanismo, separação de privilégios e falha segura. Tais princípios orientam diretamente o desenho de containers: mecanismos simples, fronteiras explícitas e comportamento previsível em caso de erro.

O Multics introduziu anéis de proteção hierárquicos, segmentação de memória e listas de controle de acesso (ORGANICK, 1972). Esses mecanismos permitiam granularidade fina de privilégios, aproximando-se do ideal de menor privilégio. Em contraste, o UNIX adotou modelo mais simples, baseado em permissões de arquivo e identificadores de usuário/grupo (RITCHIE; THOMPSON, 1974).

A virtualização completa foi formalmente analisada por Popek e Goldberg (1974), que definiram critérios para que uma arquitetura seja virtualizável. O VM/370 demonstrou na prática que múltiplas máquinas virtuais isoladas podem coexistir com garantias robustas de separação (MADNICK; DONOVAN, 1973).

O TCSEC (DoD, 1983), conhecido como Orange Book, estabeleceu critérios formais de avaliação de segurança. Classes C2 e B1 exigem controle de acesso discricionário e obrigatório, além de trilhas de auditoria. Containers, conforme aqui definidos, podem auxiliar no cumprimento prático desses requisitos ao reduzir interdependências entre serviços.

A Tabela 1 resume mecanismos históricos relevantes.

Sistema	Ano	Mecanismo de Isolamento	Nível de Granularidade	Referência
Multics	1969	Anéis + Segmentação	Segmento/Procedimento	ORGANICK (1972)
VM/370	1972	Virtualização Completa	Máquina Virtual	MADNICK; DONOVAN (1973)
UNIX V7	1979	UID/GID + chroot	Processo/Sistema de Arquivos	RITCHIE; THOMPSON (1974)
Hydra	1975	Capacidades	Objeto	WULF et al. (1975)

Esses sistemas formam a base conceitual para nossa formalização de containers.

3. Threat Model and Problem Formalization

Consideramos um sistema multiusuário conectado via ARPANET, executando serviços de rede. O adversário pode:

1. Obter acesso legítimo com credenciais fracas.
2. Explorar vulnerabilidades em serviços expostos.
3. Executar código arbitrário com privilégios do serviço.

Definimos:

• $S$ como o conjunto de sujeitos (processos).
• $O$ como o conjunto de objetos (arquivos, dispositivos).
• $P(s,o)$ como o conjunto de permissões.

Um container $C_i$ é um subconjunto:

$$ C_i = (S_i, O_i, P_i) $$

tal que:

$$ \forall s \in S_i, \forall o \notin O_i \Rightarrow P(s,o) = \emptyset $$

O risco residual $R$ pode ser modelado como:

$$ R = \sum_{i=1}^{n} p_i \cdot I_i $$

onde $p_i$ é a probabilidade de comprometimento do container $i$ e $I_i$ é o impacto limitado ao seu domínio. O objetivo do confinamento é minimizar $I_i$, mesmo que $p_i$ permaneça constante.

4. Proposed Methodology

Nossa metodologia envolve três camadas:

1. Isolamento estrutural (virtualização ou chroot).
2. Redução de privilégios (execução como usuário não privilegiado).
3. Auditoria e monitoramento (registros de acesso conforme TCSEC).

4.1 Container via chroot em UNIX

O chroot altera o diretório raiz aparente de um processo. Embora não impeça totalmente escalonamento de privilégios se o processo for root, é eficaz quando combinado com execução sob UID restrito.

Exemplo de configuração:

Criação do ambiente isolado
mkdir -p /var/ftp-container/{bin,etc,lib,usr}
cp /bin/ls /var/ftp-container/bin/
cp /etc/passwd /var/ftp-container/etc/

Execução confinada
chroot /var/ftp-container /bin/ls

4.2 Container via VM/370

No VM/370:

CP DEFINE STORAGE 4096K
CP IPL CMS

Cada máquina virtual recebe memória dedicada e dispositivos virtuais, garantindo separação forte.

4.3 Comparação Estrutural

Critério	chroot	VM/370	Multics
Isolamento de Kernel	Não	Sim	Parcial
Overhead	Baixo	Moderado	Moderado
Complexidade	Baixa	Alta	Alta
Garantia Formal	Limitada	Forte	Forte

5. Implementation

Implementamos um serviço FTP em 4.3BSD dentro de ambiente chroot. O daemon é executado sob UID dedicado, sem shell válida. Bibliotecas necessárias são copiadas manualmente para o ambiente isolado.

No VM/370, criamos máquina virtual dedicada ao serviço de testes, restringindo dispositivos compartilhados. Logs são mantidos separadamente.

A configuração inclui:

• Remoção de compiladores do container.
• Permissões mínimas em /etc/passwd.
• Desativação de dispositivos desnecessários.

6. Experimental Evaluation

Avaliamos:

1. Sobrecarga de CPU.
2. Tempo de resposta.
3. Impacto de comprometimento simulado.

6.1 Overhead

Ambiente	Tempo Médio (ms)	Desvio Padrão	Overhead (%)
UNIX nativo	12	1.2	0
UNIX + chroot	13	1.4	8.3
VM/370	18	2.1	50

6.2 Impacto de Comprometimento

Cenário	Arquivos Afetados	Escalonamento Root	Impacto Global
Sem container	Sistema inteiro	Sim	Total
chroot + UID restrito	Apenas diretório isolado	Não	Limitado
VM dedicada	Apenas VM	Não	Contido

6.3 Superfície de Ataque

Mecanismo	Processos Expostos	Dispositivos Visíveis	Sistema de Arquivos Global
Sem isolamento	100%	Todos	Sim
chroot	60%	Parcial	Não
VM	40%	Virtualizados	Não

Resultados demonstram redução significativa de impacto.

7. Case Study

Em ambiente acadêmico simulado, um servidor FTP vulnerável permitiu execução de comandos arbitrários via entrada malformada. No sistema sem confinamento, o invasor obteve acesso a /etc/passwd e alterou entradas.

Com chroot e UID restrito, o invasor acessou apenas arquivos do diretório isolado. Tentativas de acessar /dev/kmem falharam devido à ausência do dispositivo no ambiente confinado.

No VM/370, o comprometimento limitou-se à máquina virtual. O sistema hospedeiro permaneceu íntegro, demonstrando forte separação estrutural.

8. Discussion

Containers, conforme definidos, não substituem mecanismos formais de segurança multinível (B1–A1), mas complementam sistemas C2 ao reduzir impacto de falhas inevitáveis. A simplicidade do chroot alinha-se ao princípio de economia de mecanismo, mas sua eficácia depende de disciplina operacional rigorosa.

Virtualização completa oferece isolamento mais robusto, porém com maior custo operacional. Em ambientes críticos, como militares, a combinação de virtualização e controle de acesso obrigatório aproxima-se das exigências do Orange Book.

9. Conclusion and Future Work

Demonstramos que mecanismos históricos de isolamento podem ser sistematizados como containers de segurança. Em 1987, tais práticas representam abordagem pragmática para reduzir impacto de comprometimentos em sistemas conectados.

Trabalhos futuros incluem integração com mecanismos de controle obrigatório e verificação formal do monitor de referência. A evolução de hardware com suporte mais robusto à virtualização poderá ampliar garantias de isolamento.

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